Projeto: Estudo de novos métodos de contenção periférica e escavação

Objetivos

CONTEXTO INDUSTRIAL E/OU EMPRESARIAL DO PROJETO

Este projeto surge de um caso de estudo de uma solução de escavação e contenção periférica do Edifício 24 de Julho, na qual será necessário realizar um escoramento metálico com um pré-tensionamento exercido por macacos hidráulicos para apoio à estrutura de contenção, neste caso paredes moldadas.

O projeto em questão situa-se numa zona de terrenos com fracas caraterísticas resistentes, o que obrigou a equipa técnica a selecionar uma solução de contenção com recurso a paredes moldadas. Este tipo de solução é normalmente acompanhado de um sistema de ancoragens provisórias para permitir manter a estabilidade da estrutura de contenção, fazendo frente aos impulsos causados pelo solo circundante durante a fase de escavação e até à realização da estrutura definitiva. No entanto, uma vez que o lote em questão se encontra confinado entre 2 edifícios com caves a Nascente e a Poente e a Sul pela Avenida 24 de Julho, onde existem inúmeras infraestruturas no subsolo, não foi possível recorrer à solução convencional das ancoragens provisórias, tendo a equipa selecionado uma solução, menos corrente mas também já bastante consolidada, que é a execução de bandas de laje que servirão de contraventamento às paredes moldadas.

Contudo, aquando da fase de escavação, que desde cedo teve um acompanhamento arqueológico permanente, a solução das bandas de laje foi rejeitada pela Direção Geral do Património e Cultura (DGPC), uma vez que devido à forte probabilidade de encontrar realidades arqueológicas relevantes, toda a área tinha de ser escavada arqueologicamente. Esta necessidade entrava então em conflito com a execução das bandas de laje, uma vez que não era possível garantir a execução de medidas de salvaguarda do património arqueológico. Assim, houve a necessidade de uma reavaliação do projeto de contenção, onde a única solução encontrada pela equipa foi a de substituir as bandas de laje por uma estrutura metálica, uma vez que era a única solução possível para fazer face às exigências da DGPC e que garantisse a segurança da estrutura de contenção durante a fase de escavação.

MOTIVAÇÃO CIENTÍFICA/TECNOLÓGICA PARA O DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

Tendo em consideração o presente caso de estudo e a solução proposta ser pouco habitual neste tipo de obras, a HCI viu-se forçada a investigar uma solução em estrutura metálica que garantisse todas as exigências referidas anteriormente.

Inicialmente foi feita uma pesquisa no mercado nacional, no entanto, revelou-se infrutífera, tendo-se mesmo contactado empresas estrangeiras, neste caso empresas no Reino Unido especializadas neste tipo de trabalhos. No entanto, os prazos de execução destas empresas eram elevados face ao pretendido, e por isso mesmo surgiu a necessidade de investigar e desenvolver uma solução intramuros.

Assim, tendo por base algumas premissas teóricas utilizadas pelas empresas especialistas neste tipo de trabalhos, a HCI procedeu ao estudo e desenvolvimento de raiz de uma solução composta por uma estrutura metálica com perfis laminados tensionados pontualmente por macacos hidráulicos, de forma a atingir as cargas de pré-esforço calculadas para o efeito. Esta solução, totalmente inovadora e sem qualquer antecedente, irá permitir reduzir os tempos de execução, sabendo de antemão que é uma solução à qual está associado um elevado nível de incerteza, uma vez que a sua aplicação prática é inédita.

OBJETIVOS TÉCNICO-CIENTÍFICOS

Considerando a necessidade de executar o contraventamento das paredes moldadas de forma a manter a segurança e integridade da estrutura ao mesmo tempo que se garante a realização de uma escavação arqueológica, este projeto tem como principal objetivo investigar e desenvolver uma solução metálica recorrendo a perfis laminados correntes pré tensionados através de macacos hidráulicos que satisfizesse as elevadas exigências estruturais próprias dos solos presentes nesta zona da cidade.

Descrição das atividades

ESTADO DA ARTE NO DOMÍNIO TÉCNICO-CIENTÍFICO RELATIVO AO OBJETO A INVESTIGAR E DESENVOLVER

A solução de contenção periférica com recurso à execução de paredes moldadas é uma metodologia bastante consolidada e por isso mesmo bastante aplicada nas escavações que se localizam em zonas onde o terreno ou a envolvente a isso o obrigue, como é o caso de quase toda a frente ribeirinha da cidade de Lisboa. Este tipo de solução é maioritariamente utilizado em zonas com solos com pouca coesão e com níveis freáticos elevados.

Este tipo de solução de contenção exige que seja feito um travamento do interior da estrutura na fase de escavação. O sistema de travamento mais usual é a execução de ancoragens pré-esforçadas provisórias por ser o método mais vantajoso em termos de prazo e custo. Com a execução das ancoragens, garante-se uma maior área livre para poder executar a escavação no interior da estrutura. No entanto, esta solução exige que os solos circundantes estejam desimpedidos e que haja autorização dos vizinhos para executar as ancoragens nos seus terrenos, situação essa que não se verifica no presente caso de estudo.

Quando existem condicionantes que não permitem a execução de ancoragens pré-esforçadas é usual selecionar-se uma solução de bandas de laje, que consiste na execução parcial de lajes que, eventualmente, poderão vir a ser reaproveitadas/inseridas nas lajes definitivas, de forma a que estas garantam o travamento necessário para fazer face aos impulsos causados nas paredes moldadas pelo solo situado do lado exterior da estrutura. Esta solução já é bastante utilizada neste tipo de estrutura, no entanto tem como desvantagem a morosidade do processo, uma vez que obriga a que a escavação seja feita por baixo das bandas de laje com recurso a equipamento de pequenas dimensões e obriga ainda a que antes da escavação de cada fase se tenha que aguardar que o betão ganhe as suas características resistentes.

Quando nenhuma das soluções de travamento apresentadas anteriormente é exequível, como é o caso do estudo em questão, é necessário recorrer à instalação de um escoramento metálico. A dimensão e complexidade deste escoramento vai depender da distância entre paredes, da profundidade da escavação e do impulso aplicado sobre a parede. Quando a área de escavação é pequena, pode ser possível que este escoramento seja só aplicado nos cantos da estrutura, no entanto quando se tem áreas de escavação maiores em que a distância entre paredes é muito grande, há a necessidade de recorrer a perfis de grandes dimensões e que possuem um elevado peso próprio que pode ser prejudicial para o objetivo da sua instalação que é fazer face às deformações horizontais que se verificam nas paredes moldadas durante a escavação. Nesse sentido, estas estruturas de grandes dimensões são normalmente pré-tensionadas.

As soluções existentes no mercado para este tipo de escoramento metálico de grandes dimensões com pré-tensionamento não são comuns e têm pouca expressão em Portugal. São utilizadas em países como Inglaterra, Alemanha ou França, em obras de grandes dimensões com grandes escavações, como é o caso de estações de metro ou galerias subterrâneas com diferentes finalidades. Este tipo de escoramento é normalmente composto com perfis tubulares de grandes diâmetros (ϕ500 ou ϕ1000) aos quais estão acoplados mecanismos hidráulicos que permitem o seu pré-tensionamento. Tanto os perfis como os mecanismos hidráulicos que constituem estas soluções são reutilizáveis podendo ser adaptados às estruturas conforme as exigências de cada obra.

Este tipo de solução, além de não existir no mercado português e por isso implicar o seu transporte para Portugal, é instalado por técnicos especializados que também não existem no nosso mercado. Estes factos referidos anteriormente levam a que esta solução para uma obra em Portugal represente um investimento muito elevado e com prazos de execução muito longos, visto que a montagem tem de ser feita de forma faseada e num largo período temporal, uma vez que está dependente do andamento dos trabalhos de arqueologia.

Face ao exposto, a HCI decidiu investigar e desenvolver uma solução que permitisse salvaguardar as exigências técnicas que a obra exigia e simultaneamente que fosse economicamente viável. Nesse sentido, estudou-se a possibilidade de desenvolver uma solução baseada nas premissas do escoramento metálico pré-tensionado, mas utilizando materiais e equipamentos existentes no nosso mercado. Nesse sentido, uma das principais diferenças face às soluções existentes é a utilização de perfis laminados, como por exemplo HEB e LNP, em vez dos típicos perfis tubulares, nos quais será feito o pré-tensionamento com recurso a macacos hidráulicos que serão aplicados pontualmente aquando da instalação dos perfis.

Considerando as tensões aplicadas pelos macacos hidráulicos, os perfis metálicos laminados foram selecionados em detrimento dos perfis tubulares, uma vez que estes oferecem uma maior rigidez em relação aos esforços a que lhes serão aplicados, tanto pelos macacos hidráulicos como pelos esforços de reação das paredes moldadas. Outro dos motivos que levou à escolha dos perfis laminados foi a possibilidade de garantir uma maior resistência aos esforços anteriormente referidos, através de perfis com menores dimensões, o que permite uma maior área disponível para execução da escavação arqueológica.

INCERTEZA CIENTÍFICA/TECNOLÓGICA QUE O PROJETO PROCUROU RESOLVER

O facto de o tensionamento de perfis laminares com recurso a macacos hidráulicos aplicados numa estrutura de contenção nunca ter sido executado envolve uma série de incertezas que obrigam a cuidados redobrados em todo o processo desde o cálculo da estrutura até à sua execução, incluindo a monitorização durante a escavação e posteriormente até à execução da estrutura definitiva.

Uma das questões com que a HCI se deparou foi com a necessidade de dimensionar uma estrutura robusta o suficiente para poder resistir aos esforços causados pelo impulso do terreno, mas que ao mesmo tempo não fossem demasiado pesadas, levando a que o seu efeito fosse contrário ao pretendido. Na escolha da robustez e dimensão das escoras foi necessário considerar como fator determinante as exigências associadas a uma escavação arqueológica e quais as áreas necessárias para a sua execução, uma vez que não se podia correr o risco de que a solução não fosse aprovada pela DGPC, tal como aconteceu com as bandas de laje.

Outra das incertezas técnicas surgidas era a reação de toda a estrutura metálica e até mesmo das próprias paredes moldadas à realização de um tensionamento com cargas tão elevadas quanto as que foram propostas, uma vez que o excesso de carga poderia ter um efeito contrário ao pretendido e caso fosse aplicada uma carga inferior ao necessário a solução não seria eficaz. Para que esta incerteza pudesse ser controlada, a HCI teve de efetuar um acompanhamento do variável comportamento tanto ao nível da estrutura metálica como das paredes moldadas.

Por último, a utilização de macacos hidráulicos com a capacidade exigida neste processo é normalmente verificada em estrutura verticais, pelo que existia a incerteza de qual o comportamento do êmbolo do macaco no tensionamento das estruturas do Piso -1, em que se atingiriam cargas de 1800 KN.

TRABALHO SISTEMÁTICO E METODOLOGIA DESENVOLVIDOS PELA EQUIPA DE TRABALHO

De modo a investigar uma solução construtiva que permitisse a execução da escavação garantindo a integridade das paredes moldadas, efetuou-se um levantamento de necessidades de modo a ser possível executar uma escavação arqueológica e analisaram-se as exigências estruturais da solução de parede moldada.

Verificou-se assim que a única solução possível seria a utilização de um contraventamento metálico. Procedeu-se a um estudo de mercado e do estado de arte de modo a analisar soluções passíveis de aplicar.

A equipa decidiu investigar a utilização de um escoramento metálico com perfis laminados. Contudo, considerando o elevado nível freático, a pouca coesão dos solos circundantes e sendo a solução do escoramento metálico do tipo passiva, foi necessário considerar um pré-tensionamento desta estrutura de modo a reverter possíveis deslocamentos das paredes moldadas durante a fase de escavação. Efetuou-se um estudo para encontrar a melhor forma de se exercer esses esforços na estrutura metálica. Face às tensões necessárias, decidiu-se utilizar um macaco hidráulico, visto que em teoria poderia ser a solução para o problema.

Realizou-se a pormenorização da estrutura metálica de forma a compatibilizar as suas características com o pré-tensionamento a aplicar, chegando-se à definição de diferentes escoras, recorrendo a diferentes tipos de perfis laminados, desde LNP até HEB, por vezes em conjunto para permitir soluções mais robustas. Nas estruturas que venceriam os maiores vãos definiram-se apoios verticais encastrados em estacas de betão que permitiam suportar a estrutura de modo a que a flecha causada pelo peso próprio não tivesse um efeito contrário ao pretendido. A utilização dos perfis laminados em vez dos perfis tubulares permitiu ainda libertar uma maior área entre escoras, garantindo espaço suficiente para que fosse feita a escavação arqueológica.

Estudou-se a melhor maneira de solidarizar os painéis da parede moldada ao nível do Piso -1 e Piso -2 onde também seria necessário aplicar níveis de escoramento e onde não existia viga de coroamento, como acontecia no Piso 0. Assim, definiu-se uma viga de betão armado que seria amarrada à parede moldada e executada, de modo a não entrar em conflito com a arquitetura e não se ter de proceder à sua demolição após a construção da estrutura definitiva.

Selecionou-se a instrumentação complementar a instalar na estrutura. Além dos piezómetros e inclinómetros já contemplados, definiu-se a localização para instalação de alvos topográficos na parede moldada, nos diferentes níveis de escavação. Para um melhor controlo dos esforços aplicados nos perfis metálicos foi prevista a instalação de 11 extensómetros de corda vibrante que vão permitir medir eventuais extensões que ocorram nas escoras metálicas.

Conforme planeado instalaram-se as primeiras escoras metálicas no topo sul da empreitada e efetuou-se o primeiro tensionamento com macaco hidráulico com uma carga de 600 KN, tendo este corrido dentro do expectável.

Resultados  

Foi possível encontrar uma solução inovadora de um escoramento metálico com perfis laminados pré-tensionados por macacos hidráulicos, cumprindo assim com as exigências teóricas de projetistas e satisfazendo as necessidades ditadas pelas boas práticas de uma escavação arqueológica.

O comportamento das escoras onde foi aplicado o pré-tensionamento foi o esperado, tendo toda a estrutura agido como um bloco, embora esta fosse composta por diferentes perfis HEB e cantoneiras LNP. O deslocamento verificado após o tensionamento também foi reduzido, na ordem dos 4 mm, não desviando face ao planeado.